简述CEMS中气态污染物监测单元的采样方法

王文长，夏余欢

(东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

为应对日益严峻的环境问题，中国制定了完善的环境法律及标准体系以加强源头监管，将工业企业作为重点纳入固定污染源排放监测体系，实施污染物排放总量控制与排污许可证制度及排污收费制度，在企业的生产排放口设置大气污染物排放在线监测设备即烟气连续排放监测系统(CEMS)，强制跟踪、计量和管理工厂的排放状况，为环境执法机构提供监管依据。

1 烟气连续排放监测系统的基本组成

CEMS由颗粒物监测单元、气态污染物监测单元、烟气参数监测单元、数据采集与处理单元以及传送单元等组成。该系统通过采样和非采样方式，测定烟气中颗粒物浓度、气态污染物浓度，同时测量烟气温度、压力、流速或流量、湿度、含氧量等参数；计算烟气中污染物排放速率和排放量；显示、记录和打印各种参数，形成相关图表并通过数据、图文传输系统传输至监管部门。

颗粒物监测单元当前以光学法为主流，相对单一；烟气排放参数测量一般包括烟气流速、温度、压力、湿度、氧含量等，技术成熟，其核心目的在于补偿修正，计算排放量。

2 气态污染物监测单元

气态污染物检测单元是CEMS中最重要的组成部分，在整个CEMS中有着举足轻重的地位。气态污染物监测单元检测对象最常见的有氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳等；某些涉及废物焚烧、污水处理、可挥发性有机物治理等的特定项目，根据相关标准及环境评价要求，有时也会要求检测卤化物(如氯化氢、氟化氢)，非甲烷总烃，可挥发性有机物(VOCs)等，检测对象及背景工况复杂而多样。

因此，根据环保要求及工况条件选择恰当的取样处理方式和分析仪表对于监测系统应用的成功与否无疑是决定性的。

3 样气取样处理系统

样气取样处理系统是分析仪系统集成的核心。工业企业的排放废气通常含水、含尘且温度较高，样气的采样、传输及处理甚为关键，必须满足取样连续可靠、气体组分不受影响，并保证分析仪表正常工作等要求。通常，对于绝大部分的在线气体分析系统来说，样气处理系统一般包括除水干燥部分，工程实践表明这一环节也是整个气体分析系统中故障率最高的环节。在以红外分析仪等主流光学分析仪的应用中，气相水是很多待测对象的交叉干扰组分，冷凝水也严重干扰光学镜片的正常工作，为保证仪表性能，减少误差，必须控制进气气体的水分。实际应用中主要通过抽取采样系统与原位采样(直接测量)系统从不同角度消除水、颗粒物等干扰组分的影响。

3.1 抽取采样法

抽取采样是CEMS中最为经典的方法。它将样气从排放管路中抽取出来再送入分析仪表测量，可分为完全抽取式和稀释抽取式。

3.1.1完全抽取式

完全抽取式是直接从烟道或管道抽取样气、滤除颗粒物，将样气送入分析仪的取样方式。根据与之配套的样气处理系统的不同，可进一步分为冷/干法与热/湿法两大类。

3.1.1.1冷/干法

冷/干法在过去是应用最为广泛的抽取采样方法，其主要特点是在样气进入分析仪前，对样气进行除尘、除水，获得“冷”和“干”的样气。样气处理可以在取样处进行，也可在分析小屋内进行。冷/干法样气处理流程如图1所示。

图1 传统冷/干法样气处理流程示意

传统冷/干法普遍采用带过滤器的采样探头以防止其堵塞，过滤器一般通过反吹或拆卸清洗的方式维护，保证采样探头的正常工作。过去相当长的一段时期，在分析小屋/机柜内处理样气是燃煤电厂CEMS的主流预处理方案。样气经粗过滤后通过带伴热的输送气管路，在分析柜内冷凝除水，最后经精密过滤器过滤后送入分析仪表。该系统构成较为简单，维护难度较低，工程适应性好，还可根据工况灵活调整冷凝、过滤级数等方案，以更好地保证分析仪表正常工作。但该方式存在被测组分被冷凝液吸收的问题，特别是在当前严格的“超低排放”(即燃气轮机组排放限值)标准下，这种吸收往往是不可接受的，因而今后其应用可能将日趋受限。

在国家排放标准不断提高的背景下，为避免被测组分被冷凝液吸收，一种在冷凝器前端加注磷酸(pH为1)的方法得到认可。该方法本质是人为生成酸性凝液，影响化学平衡，大幅降低酸性气(如二氧化硫)与水结合生成酸，减少样气中被测组分的损失。加注磷酸处理方法，气体出口露点只能到5 ℃左右，对于低量程的非分光红外分析仪仍存在较大干扰，其应用有较大局限性；而在紫外波段不存在干扰，与紫外分析仪系统配合使用效果最佳，常应用于对已有的紫外分析仪系统的改造工程中。

随着材料技术的不断进步，一种以渗透干燥管为核心的冷/干法采样系统在工程中得到应用。渗透干燥原理近似于膜分离技术，即利用干燥管半透膜对气相水分子的选择性透过达到分离水分的目的。典型的干燥管如Nafion管——一种以聚四氟乙烯为基体发展而来的聚合物材料。基于渗透干燥管的冷/干法采样系统需要维护的部件更少，可安装在分析小屋，也可与取样过滤探头整体集成并且更具技术优势，基于渗透干燥管的冷/干法采样系统样气处理流程如图2所示。

图2 基于渗透干燥管的冷/干法采样系统样气处理流程示意

经过处理后的样气干燥、洁净程度高(露点为-20 ℃，理论最低甚至可达-45 ℃)，后续输送管线一般无须伴热。渗透干燥法在气相状态除去水分子，避免冷凝水的出现，有效解决了被测组分的吸收问题。为达到理想的应用，在工程实际中防堵设计非常关键，必须避免进入干燥管的样气中带有冷凝液滴及颗粒物等，因而前端的取样探头等部件的伴热及过滤设计须根据排放气体组分合理配置，必要时还应增大干燥管直径。另外，在一些烟气处理工艺中，排放气中含有氨气，会对干燥管造成永久性破坏，气体降温后也可能产生铵盐结晶，此时应在前端配备氨去除器。

3.1.1.2热/湿法

在垃圾焚烧、废物处理等工艺流程中，由于燃料的因素，排放气湿度更高，而且通常还含有卤化氢、氨等物质，常温下易结晶，且它们溶于水后一方面将造成组分损失，大幅降低测量值；另一方面其凝液具有很强的腐蚀性，对采样系统甚至分析仪表产生严重损坏，降低仪表使用寿命，对于常规的CEMS维护量极大，甚至直接瘫痪。为解决该难题，伴随着分析仪技术特别是红外技术的进步，出现了高温红外分析仪，它与保持采样、分析系统全程处于高温状态的热/湿法采样系统组合使用取得了很好的效果。

早期的CEMS中，热/湿法采样系统通常与可抗粉尘、水分干扰的紫外-可见光分光光谱仪配合使用。热/湿法不经降温、除水处理，而是通过全程加热的管线将样气送入分析仪表，分析仪中配置高温(一般高于排放气温度)气室。系统中的样气仅经过了前端的过滤除尘处理，因而进入分析仪的是“热”且“湿”的样气。热/湿法采样系统近十年来广泛匹配傅立叶红外分析仪或具有干涉滤波(和/或气体滤波)相关技术的高温多组分红外分析仪，可以满足生活垃圾焚烧等工艺的排放气中绝大多数被测组分的可靠测量。热/湿法采样系统气路如图3所示。

从图3可以看出，热/湿法抽取采样系统气路更为直接。取样部件主要由加热的取样探头和带加热反吹的过滤器组成。从取样部件到分析仪间的样气管线，包括气泵、流量计、反吹/校准部件等均处于加热系统内，构成整体高温测量系统。标准气和反吹气也是经过加热的，防止冷凝。加热系统具有自动温度控制功能，保证样气温度高于露点(或酸露点)至少10 ℃，通常在185 ℃左右，同时也配备测温元件检测伴热温度。

采用全程高温的热/湿法采样系统测量方法，能够同时测量包括卤化氢、氨和水在内的更多组分气体污染物。测量过程中气体成分不变，腐蚀减少，过滤、取样和反吹也在高温状态下进行，维护量小，效率高。热/湿法最为关键的是必须保持整个高温系统的可靠性和稳定性，保持样气温度高于露点至少10 ℃。在实际应用中通常还配置伴热温度失控报警联锁功能，通过及时切断进样，并全流程吹扫等措施以保护取样系统及仪表的安全。

图3 热/湿法采样系统气路示意

3.1.2稀释抽取式

稀释抽取法即使用不含被测组分的洁净、干燥的气体(零气)稀释样气，使混合气露点显著降低的抽取采样方式。稀释抽取采样在美国市场占主导地位，主要因美国环保署(EPA)对烟气排放量的统计以湿烟气为基准，稀释抽取测量系统直接契合其要求。稀释抽取测量系统的构成如图4所示。

图4 稀释抽取测量系统的构成示意

由图4所示，其关键部件为稀释探头、稀释气(零气)处理装置和低量程的分析仪表。该系统的样气采集与稀释处理在现场同时进行。在采样探头顶部，通过一个音速小孔进行采样，并用干燥的气体(零气)在探头内部进行稀释混合后再向分析仪输送。

通过计算选择合适的稀释比(选择范围在100∶1～250∶1)，一方面使稀释后样气露点低于现场的最低环境温度，避免样气冷凝；另一方面确保分析仪的测量范围与样气稀释后的实际浓度相匹配。与热/湿法类似，稀释后的样气无需经过除水而直接进入分析仪，样气管线一般也不需要伴热。

稀释采样也能解决样气中水的冷凝所带来的一系列问题，是一种“冷”、“湿”的采样分析方法，在国内“超低排放”的燃煤电厂也有较多应用。但其构成决定了它并不能解决抽取采样系统应用中遇到的全部问题，其探头的音速小孔更易受烟道中烟气温度和组分的波动影响而堵塞；或者由于仪表空气质量的不稳定导致系统无法正常工作，而不得不配置一套专用的稀释气处理系统。

3.2 原位采样(直接测量)方式

抽取采样的种种弊端催生了原位采样(直接测量)方式，原位测量一般分为点测量和线测量，本文仅讨论点测量方式。原位测量方式没有复杂的样气处理系统，主要由1台高度集成的分析仪构成，原位采样(直接测量)系统结构如图5所示。原位气体分析仪采用扩散式采样探头，一体集成分析模块，直接插入烟道内部安装，烟气经过滤器后进入探头的测量区域(相当于气室)测量。由于采用的是自由扩散方式，所以烟气中的粉尘只是落在探头过滤器表面，可以通过仪表设置的自动吹扫程序，将粉尘吹回烟道，避免过滤器堵塞，实现长周期运行。

原位采样(直接测量)系统多用红外测量技术，1台仪表可同时测量包括水在内多种组分的气态污染物，有些产品甚至可以检测氯化氢。

图5 原位采样(直接测量)系统结构示意

传统意义上，原位采样(直接测量)方式的典型应用是对颗粒物的测量。对于气态污染物来说，复杂的样气处理，长距离的取样管线，无疑增加系统的维护量，降低系统的响应时间，对分析结果的准确性造成负面影响。原位采样分析系统构成简单，可即时得出分析结果，无滞后，便于安装，维护工作量小，在一些非恶劣工况下应用于气态污染物的分析具有明显的优势。但由于它一般直接安装在户外，环境恶劣，干扰因素多，稳定性受影响，而且在一些湿度大、腐蚀性强的烟气环境下应用有局限性，必须特殊设计，存在维护难度较大，成本较高的缺陷。

3.3 采样系统与分析仪表的选择匹配

用于环保监测气态污染物的分析仪表种类较多，尤以紫外法、红外法或它们的衍生方法为代表的光学法应用最为广泛。这些分析仪由于仪表结构和分析原理的各不相同决定了对样气的不同要求，需要采取不同的采样处理方式。当今工程应用中常用的组合方案见表1所列。

表1 气态污染物监测单元的常见方案

4 结束语

工程上没有完美的技术，但有恰当的设计。CEMS方案的选择和设计不但需要考虑工业在线气体分析仪的特点，同时又必须符合相关环保法规和标准，对特定污染源的监测需有良好的适应性和可靠性。不同的气体采样方式和分析方法在烟气样气的净化、处理方法上差异较大，应根据污染物浓度、具体背景组分以及环保处理工艺等因素选用。分析系统在保证监测准确性及响应时间的同时也应易于工程化实施，兼顾防腐、防堵的要求，以满足长周期运行的要求，并尽可能提高系统的自动化程度，减小维护工作量。